膨胀石墨注入“能量液”，构建全时段光热防冰/除冰复合材料

中国科学院化学研究所王健君研究员团队与北京理工大学贺志远教授团队在SCIENCE CHINA Materials发表研究论文，设计了新型仿生光热相变复合高分子材料：通过膨胀石墨的多孔结构及毛细效应，将相变储能剂负载至膨胀石墨孔隙中作为“能量液”，为膨胀石墨提供储能剂，形成在白天光照充足时储存热量，在夜晚无光低温时放热保温的全时段能量转换防冰/除冰材料，为提高光热材料的使用效率提供新的策略。

在寒冷气候条件下，基础设施及交通工具表面结冰现象往往难以避免，给人们的生活带来经济损失和安全威胁。传统的防冰或除冰策略包括：热处理、机械除冰、化学防冰等措施，但是这些方法能耗高、效率低，而且还可能带来环境污染。太阳能防冰/除冰是一种环境友好的方式，将光能转化为热量，以达到防冰/除冰的目的已成为当前的研究热点。然而，限制光热防冰/除冰材料广泛应用的核心问题在于太阳辐射的不连续性，在没有阳光的条件下，特别是在晚上，光热材料就失效了吗？如何提高光热材料的使用效率，实现全时段的光热能量转换是提升光热防冰/除冰性能的一个关键问题。

那我们应该如何解决在无光照时的光热材料能量转换问题呢？

近日，中国科学院化学研究所王健君研究员团队与北京理工大学贺志远教授团队在SCIENCE CHINA Materials发表研究论文，受生长在低温高海拔地区的植物非洲半边莲（Lobelia telekii）的启发，将膨胀石墨与相变剂复合，制备了光热相变复合材料，实现了在有光照时膨胀石墨吸收太阳能进行光热转换，无光照时相变剂发生相变转换进行放热维持材料温度恒定，避免材料表面温度随着环境温度降低而持续降低，延缓或避免结冰现象发生，实现了全时段能量转，提升了光热材料的使用效率，提高了光热材料防冰/除冰性能。

图1 注入“能量液”的仿生光热相变复合材料

如上图所示，非洲半边莲内部所储存的防冻液起到相变剂的作用，在白天气温较高时，防冻液为液态，当夜晚气温降低，防冻液由液态转变为固态，这一相变过程放出热量维持植物的温度恒定，当重新得到光照时，气温升高，防冻液再次转变为液态，整个过程可以循环进行维持植物的恒温，延长植物在低温环境下的生长寿命。受此启发，研究人员将相变剂与膨胀石墨复合制备得到光热相变复合材料，在低温下模拟有光照和无光照的场景，观测材料表面的温度变化，得到了与植物体类似的现象，复合材料表面可以维持一段时间的恒温(图1)。这一设计策略实现了全时段的能量转换，提升了光热材料的防冰/除冰效率。

图2 光热相变复合材料的防冰/除冰性能

此外，该复合材料表现出优异的防冰/除冰性能(图2)，表面的液滴冻融时间与未复合相变剂的材料相比大大延长，且即使在超低温度条件下(-40℃)，仅使用一个光强度照射，材料表面的液滴延缓结冰时间超过2 h。模拟不同城市冬季气温下材料表面的除冰速率最高可达到2.21 kg m^-2 h^-1。该复合材料还具有较高的除冰率和优良的耐久性。

这项研究通过在膨胀石墨孔隙中注入“能量液”，通过相变过程实现了光热相变复合材料在无光照条件下的能量转换，提升了光热防冰/除冰材料的利用率，为太阳能在防冰/除冰方面的应用提供了一条新的高效利用途径。

---

研究详情请阅读原文▼

[点击下方链接或阅读原文]

Sheng, S., Zhu, Z., Wang, Z. et al. Bioinspired solar anti-icing/de-icing surfaces based on phase-change materials. Sci. China Mater. (2021). https://doi.org/10.1007/s40843-021-1888-7